1、 信息科学与工程学院 课程设计报告书 课程名称： 计算机控制与接口技术课程设计 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 二一三年 十一 月 一、一、 设计题目和设计要求设计题目和设计要求 1.设计题目设计题目 炉温控制系统的设计 2.设计任务和要求设计任务和要求 设计一个炉温控制系统， 对象的传递函数： s e s sG 02 115 8 )( ， 炉子为电炉结构， 单相交流 220V 供电。温度设定值：室温100，可以任意调节。要求： (1) 画出电路原理图，包括：给定值、反馈、显示的电路及主电路； (2) 阐述电路的工作原理； (3) 采用对象为大滞后的算法，求出 u(k); (4) 定
2、出闭环数学控制的程序框图。 二、二、 设计任务分析设计任务分析 （一）（一）系统设计：系统设计： 在工业化生产中，需要有大量的加热设备，如用于熔化金属的坩埚炉、用于热处 理的加热炉，以及各种不同用途的反应炉，加热炉，温度控制成为制约工业发展的重 要环节。随着计算机技术的不断发展，用于工业生产中炉温控制的微机控制系统更加 成熟。实践证明，它具有功能强、精度高，经济性好的特点，无论在提高产品质量还 是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。 该系统以 MCS-51 单片机为核心构成一个炉温控制系统，该系统具有对电炉温度 的实时控制，定时检测和调节，温度数据显示并打印，存储必
3、要的信息等功能。由外 部操作键盘，输入给定数值，进行相应的参数设定，并可以根据需要进行手动、自动 之间的切换。 本系统主要由单片机应用系统主机板、晶闸管主电路及电气控制、温度检测与信 号放大模块、数字控制与同步触发模块等部分组成。单片机应用系统主机板采用模块 式结构，功口线和各信号设计成总线形式，应用系统的各部分都通过总线插座方便地 与单片机接口。 .典型的反馈式温度控制系统通常由下图（a）所示的几部分组成，其中调节器 由微型机来完成。 图 a 单片机炉温控制系统结构图 .给定信号如何给计算机 温度给定值可以通过计算机键盘输入（键盘与单片机连接） ，也可以通过数学 表达式由程序自动设定， 还可
4、以用拨码盘， 一般拨码盘常用于过程控制的控制柜 （化 工企业） 。 为了便于讨论，本设计假定由人工键盘输入温度给定值。 .温度的监测与调节 理想的情况是采用 A/D 转换器作为输入通道， 当精度要求不高时， 可以半导 体 热敏电阻测量温度，和通过单稳态触发器输出的脉冲宽度来实现温度检测和输 入。 用热敏电阻也是一种常用的方式。热敏电阻作为半导体的效果往往决定于环 境和计 算机应用程序配合的结果。 可以采用温度范围为 0120的热敏电阻来构成所需要的电路， 不用热电偶的 原因是：因为热电偶在低温段线性差，它只是在高温段准确。 （二）（二）控制方案控制方案 本系统中把可控硅和电阻炉温度变送器统一称
5、为被控对象。 电阻炉系统是个自衡 系统，可以近似为一个一阶惯性环节和一个延迟环节，传递函数可以表示为： () = 1+1 在检测的基础上，我们采用数字数字控制器直接设计的方法，把炉内温度控制的 设定值与实测值进行比较，是静态误差最小。 理论分析和实践证明电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以用一个一阶惯性 环节和一个延迟环节来近似描述， 考虑到零阶保持器， 系统的简化动态结构图如图 b. 被控对象加上零阶保持器的广义对象传递函数为: 本系统数字控制器采用增量式 PID 调节器，由增量式 PID 控制算法可知： 式中：ek 本次设定值与实测值之差 。 （三三）控制方案）控制方案的实现的实现 在生
6、产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间对 控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象 的纯滞后时间与对象的惯性时间常数 T1 之比，即/T10.5 时，采用常规的比例积 分微分（PID）控制，很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控 制作了大量的研究， 比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿(Smith预估)控制。 本设计以大林算法为依据进行研究，大林算法的被控对象是带纯滞后的一阶惯性 环节。即 1 )( 1 sT Ke sG s 本设计的被控对象为带纯滞后的一阶惯性环节。 式中：为纯滞后时间，为方便起见假设为采样周期 T 的整数倍 ：NT 大林算法的主要设计目标是系统在单位阶跃输入作用下，整个闭环系统的传 递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。即 1 )( 0 sT e sH s （1
